Elektřina ze slunce Jiří TOUŠEK Abstrakt: Elektřina ze slunečního záření vzniká ve slunečních článcích, které využívají pro svou funkci fotovoltaický jev. Sluneční články se nejčastěji vyrábějí z křemíku a dosahují běžně účinnosti 16 %, rekordní účinnosti 41,5 % dosahují články kombinované z různých polovodičů. Pro zlevnění výroby a snazší manipulaci se nanášejí články z organických polovodičů nebo amorfního křemíku na ohebné folie. Sluneční elektrárny často využívají plochy střech a s využitím střídačů se propojují do veřejné rozvodné sítě. Využití plochy všech střech a nádvoří by postačovalo k výrobě takového množství elektřiny, kolik se spotřebuje v našem státě. Produkce je však časově nerovnoměrná Úvod Sluneční záření může za vhodných podmínek generovat elektřinu v polovodičích, v nichž existuje fotovoltaický jev. Tento efekt vzniká tam, kde je vnitřní elektrické pole (například v přechodu p-n), které je schopné oddělovat volné náboje-elektrony a díry- generované světlem. Po rozdělení elektronů od děr se polovodič polarizuje a vznikne napětí a pokud je uzavřen obvod, také proud. Sluneční články jsou velkoplošné diody z různých polovodičových materiálů. Nejčastěji se používá křemík jak krystalický, tak i amorfní a další polovodiče jako GaAs, CdTe, Cu, (In, Ga) (S, Se) 2 aj.. V poslední době jsou v popředí zájmu také články z organických materiálů. Každý polovodič je charakterizován tak zvanou šířkou zakázaného pásu E g. Tu můžeme chápat jako minimální energii potřebnou pro vytvoření páru volných nábojů. Sluneční spektrum je charakterizováno počtem sluncem emitovaných fotonů s různými energiemi. Průchodem zemskou atmosférou se v něm vytvářejí absorpční pásy, jak je vidět na obrázku 1. Obr.1. Sluneční spektrum po průchodu 1,5 násobkem tloušťky zemské atmosféry. Tečkovaná čára znázorňuje, které fotony ze spektra může ještě využít článek z krystalického křemíku [1]. Polovodič s nejmenším E g využije největšího počtu fotonů, generuje proto největší proud, na článku bude však nejmenší napětí. Polovodič s největším E g naproti tomu generuje největší napětí, ale nejmenší proud. Z toho plyne, že existuje optimální šířka zakázaného pásu, při kterém dává článek největší výkon. 1
Obr.2 Teoreticky vypočtená účinnost slunečních článků z některých materiálů jako funkce šířky zakázaného pásu. Z obrázku 2 plyne, že nejvyšší účinnosti lze dosáhnout na materiálech s šířkou zakázaného pásu kolem 1,5 ev, jako je GaAs, CdTe nebo Si. Články z monokrystalů těchto materiálů se svojí účinností již přibližují teoretickému maximu. Prakticky dosažené laboratorní i komerční účinnosti článků a modulů z poslední doby jsou v následující tabulce. Účinnost článků (%) Účinnost modulů (%) Materiál Si monokr. Si poly kr. Si:H amorf ní Vrstv y CdTe Vrstv y CuInSe 2 GaAs monokr. laboratorní 24,7 20 12,7 16,5 19,9 25,5 komerční 15-17 12 6-7 / / / laboratorní 22.7 15.3 10,2 10,7 19,9 / komerční 16 11 5 7-8 15 / Na obrázku 3 vlevo je schematicky znázorněn křemíkový sluneční článek i s elektrodami. Vyznačen je také transport fotogenerovaných nábojů. Elektrony se přemisťují do křemíku typu N, díry do typu P. Vpravo je reálný sluneční článek. Jeho modrá barva je způsobena antireflexní vrstvou na povrchu. Obr.3 Klasická konstrukce slunečního článku s mřížkovou horní elektrodou. 2
Obr.4 Tenkovrstvý ohebný sluneční článek. Podstatné zlevnění přináší technologie článků z organických látek, která nevyžaduje vysoké teploty ani extrémní čistotu výchozích materiálů. Nanášení vrstev se provádí metodou spin coating z roztoku na podložku nebo tiskem na folii což zrychluje výrobu. Účinnost však zatím nepřesahuje 6%. Organické polovodiče stejně jako amorfní křemík se mohou nanášet ve formě tenké vrstvy na ohebný substrát, takže se pak snadno transportují. (Viz obr.4) To umožňuje využití článků např. v turistice nebo pro vojenské účely. Sluneční článek vyrobený z polovodiče o šířce zakázaného pásu E g nevyužije fotony, jejichž energie hν je menší než E g a pouze zčásti využije takové, jejichž energie je větší, než E g. Efektivněji pracují články kombinované z více druhů polovodičů-tzv. tandemy (viz.obr.5). Obr.5 Schema tandemového článku o účinnosti 39%, které bylo dosaženo v roce 2005. Vlevo je sluneční spektrum. Je vyznačeno, které části spektra využije který polovodič z tandemu. V roce 2009 po vylepšení technologie byla na stejné struktuře získána účinnost 41,5 % [2]. Světlo dopadá nejprve na první polovodič GaInP s největším E g, kde se absorbují fotony s největší energií, ostatní se dostávají postupně do dalších materiálů. Tak se využije podstatná část ze slunečního spektra. Články s takto vysokou účinností jsou drahé a jsou proto určeny především pro náročné aplikace v kosmu. Aplikace slunečních článků pro využití na zemi Obr.6. Vlevo: Využití střechy rodinného domku k produkci elektřiny z fotovoltaických panelů. Vpravo vepředu: Jedno z polí fotovoltaické elektrárny postavené na zemi. 3
V našich zeměpisných šířkách dopadá na 1 m 2 přibližně 1 MWh energie slunečního záření za rok. Na běžný rodinný domek tedy dopadá za rok energie100 MWh, přičemž spotřeba elektřiny je asi 4 MWh, na vytápění se spotřebuje 20-30 MWh ročně [3]. Energie ze slunce by tedy měla pro krytí spotřeby postačovat. Stejnosměrný proud, který fotovoltaické panely vyrobí, se mění na střídavý v invertorech a je-li elektrárna propojena s rozvodnou sítí, dodává se do veřejné sítě. Elektrárna o nominálním výkonu 1 MW vyrobí v našich podmínkách průměrně 970 MWh. Z jednoho hektaru lze v podmínkách ČR vyprodukovat 0.5 GWh elektrické energie. Spotřeba v ČR je asi 60 TWh. Plocha zastavěná budovami a nádvořími v ČR je 130 000 ha [4]. Využití této plochy pro fotovoltaiku by tedy uspokojilo veškerou spotřebu elektřiny státu. Ekonomika Pořizovací cena elektrárny o nominálním výkonu 1 kw je 100 000-160 000 Kč bez DPH podle druhu panelů a stojanů. Při stavbě elektrárny na střeše je DPH 9%, pro volně stojící elektrárnu je uplatňována sazba 19 %. Proud z elektrárny o nominálním výkonu do 30 kw postavenou v roce 2009 se vykupuje sazbou 12,89 Kč/kWh, zelený bonus činí 11,91 Kč/kWh. Výrobní cena 1 kwh je u nás zatím asi 3-4 krát větší než cena elektřiny z klasických zdrojů. Vzhledem ke stále klesající ceně fotovoltaiky a rostoucí ceně konvenčně vyrobené energie se však tyto ceny postupně vyrovnávají. Některé jižně položené státy jako je Itálie, jsou již blízko tohoto vyrovnání. Investice vložená do stavby elektrárny se u nás při využití státní podpory vrací průměrně za 9-15 let, přičemž životnost zaručují výrobci 25 let. Význam fotovoltaické přeměny: Fotovoltaika představuje výhodný vývozní artikl. Dovolí elektrifikaci míst bez zásob fosilních paliv a bez technicky kvalifikovaných pracovníků. Umožní podstatně zlepšit životní úroveň dvou miliard lidí, které nemají dosud zavedenou elektřinu. Využití slunečního záření neovlivňuje negativně životní prostředí. Fotovoltaická (FV) elektrárna nemá žádné pohyblivé součásti, nepotřebuje prakticky žádnou údržbu, její provoz je nehlučný a bez exhalací. Během provozu neprodukuje CO 2. Provoz FV elektrárny je bezpečný a spolehlivý. Její životnost je až 30 let. Energie vložená do výroby krystalických křemíkových panelů se vrátí přibližně za 4 roky, tenkovrstvé panely vyrobí tuto energii za dobu kratší, než 1 rok. Zářivý tok přicházející ze slunce na zemi je 175 000 TW. Potřebný příkon na obyvatele je asi 2 kw, takže celková spotřeba lidstva je přibližně 12 TW. Na obr.7 jsou v poměrných velikostech kromě této spotřeby znázorněny ještě velikosti zásob fosilních paliv. Obr.7 Porovnání energie, která přichází ze slunce na zemi za rok, se zásobami fosilních paliv a spotřebou lidstva (údaj EPIA [5]). Sluneční záření je tedy daleko nejvýznamnějším zdrojem energie. Fotovoltaické elektrárny umístěné na pouhých 5% rozlohy 4
pouští by vyrobily dostatek energie pro veškeré obyvatelstvo na zemi. Zbývá ovšem vyřešit transport elektřiny i do vzdálenějších oblastí. Nevýhodou zůstává také závislost výkonu FV elektráren na velikosti slunečního zářivého toku, který se mění s ročním obdobím, při střídání dne a noci a s počasím. Literatura: [1] http://www.fzu.cz/popularizace/premena-slunecni-energie-v-energii-elektrickou#funkce [2] R. R. King et al., 24th European Photovoltaic Solar Energy Conf., Hamburg, Germany, Sep. 21-25, 2009 [3] K.Murtinger, J.Beranovský, M.Tomeš: Fotovoltaika. Elektřina ze slunce, EkoWATT, ERA group spol s.r.o. Brno 2007 [4] http://www.setrnebudovy.cz/vzory/vzor_fotovoltaika_filozofie.pdf [5] http://www.epia.org/solar-pv Kontakt: Doc.RNDr.Jiří Toušek,CSc. Univerzita Karlova v Praze, Matematicko-fyzikální fakulta, Praha 8, V Holešovičkách 2. Jiri.tousek@mff.cuni.cz 5